重庆饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特性及临界条件试验研究

为比较饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特征并明确其临界水力学特性,进行5个坡度(2°,5°,10°,15°,20°)和3个雨强(30,60,90 mm/h)组合 条件下的室内人工模拟降雨试验,在测得坡面片流、细沟流及其转变的临界流速的基础上,计算得到片流、细沟流及其转变的临界水力学参数,包括水深、雷诺数、弗劳德数和达西阻力系数。结果表明:在不同侵蚀阶段,片流流速为0.064~0.151 m/s,细沟流流速为0.175~0.350 m/s,雨强和坡度在不同侵蚀阶段对流速和水深的影响程度存在差异。片流均为层流,＜10°坡时,片流为缓流,片流多居缓层流流态;中、大雨强条件下,细沟流均为过渡流,＞5°坡时细沟流均为急流,细沟流多为急过渡流流态。片流达西阻力系数与坡度和雨强呈负相关关系,细沟流达西阻力系数与坡度和雨强呈正相关关系。坡面径流由片流转为细沟流的临界流速为0.100~0.165 m/s。流速改变坡面形态,导致细沟侵蚀发生的临界水流流态和水流阻力随坡度和雨强变化的规律不同。研究结果对于认识饱和土壤条件下坡面不同侵蚀阶段径流水力学特性,进一步明确由片流转为细沟流的临界水力条件具有一定参考价值。     

黄绵土细沟水流输沙能力对地表冲刷流量的响应

为明确黄绵土在径流冲刷下的细沟侵蚀特征和产流产沙规律,通过细沟模拟,设计3个流量(2,4,8 L/min)和4个坡度(5°,10°,15°,20°),在变坡土槽中进行室内冲刷试验,实测不同坡度和流量下黄绵土在坡面细沟发育过程中产生的最大径流含沙量,并得到其相应的输沙能力(A)。结果表明,当坡度一定时,输沙能力随流量增大呈线性增大,且坡度越大增幅越明显;当流量较小时,输沙能力随坡度增加而缓慢增加,当流量达到8 L/min时,输沙能力随坡度增加的幅度更为明显,但坡度上升到15°以后几乎不再变化,说明流量对输沙能力的影响更为显著。含沙量(c)随沟长(x)的变化规律符合数学模型c=A(1-e-Bx),控制所有流量坡度组合在不同沟长(1,2 m)条件下进行冲刷试验,将冲刷测量得到的径流含沙量与各组合下的输沙能力(A)代入关系式,利用待定系数法计算出不同试验条件下含沙量随沟长变化的衰减系数(B)。研究结果可为黄绵土水土保持研究与实践提供理论基础与科学依据。     

坡面细沟流速与坡度关系的数值模拟

对于相同的净雨强过程,分别采用动力波模式(一维非恒定流方程组)和运动波模式计算了不同细沟宽度下沟内流速与坡度的关系.计算结果表明,动力波模式的最大流速对应的坡度约为35°,而运动波模式的最大流速对应的坡度约为45°.在坡面土壤的起动流速为恒定值的情况下,最大流速对应的坡度就等于细沟沟宽发展最大的坡度,即细沟侵蚀最活跃的坡度.     

水蚀对风蚀影响的室内模拟试验

为了揭示黄土高原水蚀风蚀交错区风水复合侵蚀机制,利用室内风洞,在一定的风速(9.3m/s)、坡度(20°)下,人工模拟不同沟宽、沟深、沟密度对风蚀过程的影响。结果表明,在一定的水蚀沟宽度与密度范围内,风蚀量随着宽度与密度的增加而增加,并且两者与风蚀量都呈线性关系;侵蚀沟深度在4～8cm范围内,风蚀量随着沟深度增加而增加,当沟深大于8cm时,随着沟深度增加,风蚀量有所减少;水蚀沟发生风蚀的部位主要在沟壁和沟头,风沙流的磨蚀作用可能是主要作用力,水蚀沟形成会显著影响风蚀量。     

黑土坡面细沟形态及剖面特征试验研究

[目的] 对比分析不同坡度条件下黑土坡面细沟宽度、深度、宽深比、细沟剖面形态及沟壁坡度特征,为东北黑土区坡耕地细沟侵蚀防治提供科学参考。[方法] 在野外径流小区不同坡度（5°和10°）下开展汇流冲刷试验〔1 L/（min·m²）,历时60 min〕。[结果] ①试验条件下,黑土坡面细沟剖面形态主要为“U”型,细沟平均宽深比介于2.3~4.9之间;②随着坡度的增大,细沟下切侵蚀作用增强幅度明显超过细沟沟壁崩塌侵蚀作用,导致细沟宽深比减小,细沟剖面形态由“宽浅型”向“窄深型”转化;③对于坡面不同位置,细沟平均宽深比在坡上,坡中,坡下位置分别为2.7,1.6,5.4,即自坡面上部到下部依次表现为“宽浅型”—“窄深型”—“宽浅型”的细沟剖面变化特征;④黑土坡面细沟沟壁坡度主要为37.7°~85.2°,其值随着地面坡度的增加而增大,且不同坡位之间细沟沟壁坡度表现为坡中位置大于坡上和坡下位置。[结论] 防治东北黑土区陡坡耕地中段位置的细沟发育尤为重要,对缓解该区水土流失问题有重要作用。     

土工格室防护边坡抗冲刷规律试验研究

采用变坡试验水槽对土工格室防护坡面的侵蚀规律进行了试验研究。试验坡度为5°~35°,放水流量1~2m³/h。基于传统的径流量和产沙量测定方法,分析了土工格室边坡坡面的产流产沙演化规律。研究结果表明：土工格室的存在形成一系列沿格室边缘菱形分布的纹沟,与自然坡面的冲刷形态有本质区别;累计侵蚀量随坡度、流量的增大而增大;土工格室坡面的侵蚀主要发生在前10min,相同时段内的侵蚀量逐渐减小;同一流量条件下,土工格室坡面冲刷的侵蚀模数与边坡坡度之间呈良好的幂函数正相关关系。     

藏东南高寒土坡面细沟水流输沙能力变化特征

为探究高寒土坡面细沟侵蚀过程机理,建立科学的坡面细沟输沙能力因子模型,服务高寒坡面水土流失治理工作,以藏东南高寒土壤为研究对象,采用室内径流放水冲刷试验,探讨不同流量和坡度条件下细沟水流输沙能力特征。结果表明：（1）高寒土坡面细沟水流输沙能力的临界坡长随输沙能力的增加而变短,范围为3.27~8.31 m;坡度在15°~25°时,临界坡长大约稳定在5.0 m;（2）不同坡度下,高寒土细沟水流输沙能力与流量表现为明显的线性正相关关系（T_c=Aq）;小坡度的输沙能力受流量的影响程度大于大坡度;（3）高寒土细沟水流输沙能力与坡度可以用指数方程较好地表示（T_c=-ae^（-S/b）+c）,输沙能力随坡度的增大先快速增大,后逐渐过渡到平稳,当坡度达到15°时增幅平缓;（4）坡面细沟水流输沙能力可以用二元幂函数方程T_c=1697.83S^0.491q^1.043表示。通过本模型与其他模型的比较分析,ANSWERS模型在计算高寒土的坡面细沟水流输沙能力还值得商榷,本试验模型、Lei模型与Gao模型均能较好地模拟高寒区细沟侵蚀输沙能力。     

坡面细沟发育特征及其对流速分布的影响

利用模拟降雨试验,采用2个雨强（1.5 mm min^-1,2.0 mm min^-1）,4个坡度（10?,15?,20?,25?）,对杨凌塿土细沟发育的特征及其坡面流速分布规律进行了研究。结果表明,坡度增加会造成细沟溯源侵蚀及下切侵蚀的加剧,但随着坡度的增加,总侵蚀量的增幅趋于平缓,暗示可能存在坡面侵蚀量由强转弱的临界坡度。坡度与各侵蚀指标间均表现出极显著的相关性,说明坡度是影响细沟发育的主要因素,细沟侵蚀量与总侵蚀量也表现为极显著的相关性,相关系数高达0.97,说明坡面侵蚀加剧主要由细沟侵蚀引起。坡面流速、细沟间及细沟流速与距坡顶距离有较好的正相关关系,雨强增加会加剧这种趋势的波动性,同时坡度对坡面、细沟间及细沟流速的影响不大,且各流速间也没有明显的大小关系,这与一般认为的细沟流速高于细沟间流速的观点不同,这也是今后试验过程中需要进一步验证的部分。     

降雨条件下风速对迎风坡坡面细沟侵蚀特征的影响

[目的] 为明确风力作用下迎风坡坡面细沟侵蚀特征。[方法] 采用人工模拟风驱雨试验,研究在不同风速条件(0,3,5,7 m/s)下迎风坡坡面水沙过程变化规律及细沟形态特征。[结果] 与无风坡面相比,迎风坡面产流时间和跌坎出现时间分别增加20.59%~47.06%和33.10%~137.78%,坡面平均流速减小12.86%~22.53%;产流率和产沙率随风速的增加而显著减少(p＜0.05),不同风速条件下,迎风坡面产流率变化趋势相近,随着降雨进行产流率逐渐增加,一段时间后保持稳定,不同风速下的阶段性无明显差异。产沙率随降雨历时的延长整体呈先迅速增加后缓慢下降并趋于稳定趋势,产沙率发生变化的节点与跌坎出现时间基本一致。细沟宽度、深度及其波动程度随着风速的增加而减小;细沟宽度、深度及其波动程度随着风速增加而减小;细沟宽深比和细沟倾斜度分别为1.40~1.69和13.47°~14.76°,均随着风速的增加而增大;不同风速条件下,细沟体积、细沟割裂度和细沟密度分别为4.39×10³~10.27×10³ cm³,0.024~0.042,2.03~2.92 m/m²,三者均随风速的增加而减小。[结论] 细沟体积、细沟密度和割裂度与坡面侵蚀量均呈极显著正相关关系,是表征迎风坡坡面细沟形态的优选指标。     

降雨和径流条件下红壤坡面细沟侵蚀过程

为明确第四纪黏土发育红壤坡面侵蚀过程特征,采用人工模拟降雨和径流冲刷相结合试验,研究坡度、流量和降雨因素对坡面细沟侵蚀过程影响。结果表明:1)坡面侵蚀过程呈现明显阶段性,试验条件下侵蚀前3 min为层状面蚀为主的初始阶段,细沟出现后转变为细沟侵蚀为主的细沟发育阶段。降雨以及增加坡度和流量能加快细沟发育速度和侵蚀速率;2)各侵蚀阶段平均侵蚀速率关系为初始阶段细沟发育阶段细沟稳定阶段。初始阶段侵蚀速率对各水动力学参数响应关系为水流功率坡度水流剪切力单位水流功率=流速流量。细沟发育阶段平均侵蚀速率与水流功率、水流剪切力和坡度关系密切,而细沟稳定阶段侵蚀速率只与坡度和流量相关;3)水流功率是与初始阶段和细沟发育阶段关系最密切的水动力学参数,侵蚀初始阶段的层状面蚀、单独径流冲刷和降雨-径流作用下细沟侵蚀发生的临界水流功率分别为0.091、0.121、?1.691 N/(m·s)。试验在小尺度条件下初步揭示了红壤坡面细沟侵蚀过程特征,为南方红壤丘陵区土壤侵蚀预报模型和侵蚀防治提供理论参考。     

紫色土细沟剥蚀率对近地表水流作用的响应

近地表水流的存在会加剧土壤侵蚀过程,剥蚀率是土壤侵蚀预报模型的重要物理参数,其对近地表水流的响应值得进一步研究.采用限定性细沟模拟冲刷试验,探讨不同工况条件(3个近地表水流饱和深度5,10,15 cm;3个坡度5°,10°,15°;3个流量2,4,8 L/min)下紫色土细沟剥蚀特征.结果表明:不同近地表水流饱和深度下...     

紫色土细沟水流输沙能力对近地表水流作用的响应

地表径流与近地表水流耦合作用会引发强烈的土壤侵蚀.输沙能力作为土壤侵蚀的关键参数之一,对完善近地表水流作用下的土壤侵蚀过程具有重要的理论意义.通过限定性细沟模拟试验,采用从底部供水的方式构建近地表水流,在此基础上测定了距弱透水层不同饱和深度(5、10、15 cm)与水力条件(3个流量2、4、8 L·min–1,3个坡度...     

冲刷条件下裸露砒砂岩区坡面细沟微形态变化及其侵蚀特征

选择裸露砒砂岩坡面为研究对象,基于野外径流小区冲刷试验结合三维激光扫描技术,研究3种流量(60,100,200 L/h)与4个坡度(5°,10°,20°,30°)组合冲刷下砒砂岩区坡面细沟形态演变特征及径流侵蚀产沙机制。结果表明:坡面细沟在坡下最先发育,随着冲刷流量和坡面坡度的增大而向上延伸;细沟出现的时间随着坡度的增加而缩短;10°坡面上细沟的形态表现为"宽浅型",最大宽深比为0.038,20°坡面细沟的形态为"深窄型",最小宽深比为0.017;随着冲刷强度和坡度的增加,细沟宽深比变小,而细沟数量、细沟密度、细沟复杂度、细沟割裂度等指标均增大。坡度和冲刷强度共同影响着坡面产沙率变化,随着坡度和冲刷强度的提升坡面产沙率表现为先增后减的趋势。细沟宽深比与坡面产沙量呈现极显著负相关(-0.935,P0.01),细沟密度与细沟割裂度与产沙量呈显著正相关关系(0.888,0.944,P0.01)。     

估算细沟含沙水流剥蚀率的改进方法

为了得到更接近实际的细沟侵蚀模拟数据,改进了前人研究细沟含沙水流剥蚀率的方法。选取黄土高原的典型土壤(安塞黄绵土),采用12 m长土槽在5个坡度(5°,10°,15°,20°,25°)和3个流量(2、4、8 L/min)条件下进行细沟侵蚀过程模拟试验。估算各水力工况下沿细沟含沙水流剥蚀率,探究含沙量,沟长,坡度及流量对于剥蚀率的影响并验证该试验方法的准确性。结果表明:剥蚀率随含沙量的增加呈线性递减,在陡坡(15°,20°,25°)上,随细沟长度的递增呈指数下降,该变化规律在陡坡和大流量下更为显著;并与前人数据进行对比分析,相关系数为0.917,说明与前人结果吻合度高,验证了该研究试验方法的准确性。研究结果将为更好地描述黄土细沟侵蚀过程及土壤侵蚀预测预报提供参考依据。     

冲刷条件下坡面水流速度与产沙关系研究

在冲刷条件下 ,通过 5种坡度下的水流速度和泥沙含量测量 ,发现两者存在同步的关系 ;水流速度的变化与细沟的发育存在明显的对应关系。在细沟开始发育时 ,水流速度逐渐增大 ;当细沟基本形成后 ,水流速度减小并平稳。水流速度是影响坡面产沙的主要原因 ,在低坡度时 ,细沟发育较慢 ,产沙量较少 ,但坡度在 10°～ 2 0°之间产沙量相差不大 ,到 2 5°时的产沙量反而比 2 0°的还少 ,出现了人们观察到的临界坡度。根据坡面特性 ,分析水流速度和泥沙含量之间关系使土壤侵蚀的临界坡度得到比较合理的解释。在大于临界坡度时 ,水流速度一开始很快增大 ,所冲刷的泥沙量并不比坡度小的少 ;跌坎容易形成 ,且比较深 ,从而使水流速度减小。但细沟在较短的时间内发育完成 ,水流速度也随之减小 ,泥沙含量降低 ;从而使在一定时间之后 ,大于临界坡度时所冲刷的累积泥沙含量较少。通过用电解质脉冲法测量水流速度解释了坡面冲刷侵蚀过程中的一些现象 ,若进一步测量其时空分布 ,有可能更深入地揭示其侵蚀机理 ,为建立合理的土壤侵蚀预报模型提供准确参数     

黄绵土坡面细沟侵蚀剥蚀能力试验

为研究黄土坡面细沟侵蚀规律,探究水流剥蚀能力的室内测算方法,以黄绵土为研究对象,设置2,4,6,8 L/min 4个流量,5°,10°,15°,20°4个坡度,土槽长度为12 m,进行室内径流冲刷试验,得到黄绵土坡面细沟侵蚀的临界沟长和输沙能力,基于二者之间的函数关系,推导出剥蚀能力的计算公式,以此研究不同试验条件下临界沟长、输沙能力和剥蚀能力的变化规律,并验证方法的准确性。结果表明：在设计水力工况条件下,黄绵土坡面细沟侵蚀的临界沟长的变化范围在5.33～11.12 m,且临界沟长随流量和坡度的增加而缩短;输沙能力随流量和坡度的增大而增大;剥蚀能力与流量之间存在明显的线性关系,与坡度之间存在较好的对数关系。试验方法与其他方法相比,操作便捷、结果吻合度高,能较好地确定黄土区细沟侵蚀的剥蚀能力。研究结果可进一步完善黄土坡面细沟侵蚀理论。     

褐土与棕壤坡耕地细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化

为深入探究辽西低山丘陵区坡耕地土壤侵蚀机理,以该区的典型土壤类型褐土和棕壤为研究对象,采用室内人工降雨模拟试验,研究3种坡度(5°,10°,15°)和3种降雨强度(40,60,80 mm/h)下细沟侵蚀发生的阶段性水沙变化过程。结果表明:褐土与棕壤坡面侵蚀过程可划分为3个阶段,即细沟侵蚀之前阶段、跌坎发育阶段和细沟侵蚀快速发育阶段;细沟侵蚀之前的面蚀阶段,同一坡度条件下,褐土与棕壤随雨强的增加,坡面流速呈增大趋势,而在同一雨强条件下,坡度对流速的影响并无明显规律;细沟侵蚀阶段,当坡度一定条件下,褐土与棕壤细沟内、细沟间的流速随雨强的增加而增大,当雨强一定时,褐土与棕壤随坡度的增加细沟间流速增加;细沟侵蚀阶段流速表现为细沟内流速坡面流速细沟间流速;细沟侵蚀快速发育阶段2种土壤产生的径流量占总径流量的80%以上,土壤侵蚀量占总侵蚀量均在70%以上,且棕壤对总体侵蚀量的贡献更稳定,更易发生细沟侵蚀。整场降雨的侵蚀方式是面蚀向细沟侵蚀的转变,坡面一旦发生侵蚀,细沟侵蚀对坡面总侵蚀的贡献更大。     

细沟侵蚀过程与细沟水流水力学参数的关系研究

利用供沙土槽和试验土槽的双土槽径流小区 ,定量研究了在不同降雨强度下上方来水来沙对陡坡地细沟侵蚀产沙过程和细沟水流水力学参数的影响及其细沟水流水力学特征参数与细沟侵蚀产沙量的关系。结果表明 :坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主 ,坡上方来沙不仅被径流全部搬运 ,且上方来水在坡下方引起了另外的侵蚀产沙量 ,其值随上方来水含沙量的减少和降雨强度的增加而增大。上方来水的汇入或降雨强度的增大可使细沟水流流态由层流转化为紊流。上方来水对细沟水流水力学参数 (流速、水力半径、雷诺数、弗劳德数和阻力系数 )有重要影响。定量分析了细沟水流水力学特征参数 (流速、雷诺数和阻力系数 )与上坡来水引起坡下方净侵蚀产沙量的关系 ,建立了净侵蚀产沙量与细沟水流流速、雷诺数和阻力系数统计模型。     

Experimental determination of sediment transport capacity of rill flow over sandified loess slope

Rill erosion is affected by the sand particle content in soil, especially in the wind and water erosion transition region of the Loess Plateau. The sediment transport capacity (STC) is a key parameter in rill erosion research, assessing the impact of aeolian sand intrusion on the STC of rill flow is of importance for a better understanding of rill erosion. This study aimed to assess the effect of aeolian sand intrusion on the STC on sandified loess slopes, with typical slopes and flow discharges, using a flume system which consisting of a sediment-feeding and a sediment-supply/settlement flume. The sediment feeding flume was jointed by 10° higher than that of the sediment measurement flume section. Three flow discharges (2, 4, and 8 L min⁻¹) and four slope gradients (5°, 10°, 15°, and 25°) were used to represent the natural hydrological conditions under three intrusion rates (SIR) of aeolian sands (10%, 20%, and 50%). The results show that STC increased with slope gradient and flow discharge, and the relationship between the STC and the SIR was significantly affected by the slope gradient; the STCs decreased with the SIR on a slope of 5° but increased with the SIR on steep slopes of 15°–25°, implying a significant impact of slope gradient on the relationship between SIR and STC. The SIR of 50% resulted in the highest sediment concentration nearly 1200 kg m⁻³ on slopes of 25°. On sandified loess slopes of 10%, 20%, and 50% SIR, the STC were about 30%, 46%, and 57% higher than on loess slopes, indicating an increased erosion rate by sand particle intrusion into loess soil. These results highlight the impact of sand intrusion on STC of rill flow and provide deeper insights into the soil loss process on the sandified loess slope.